Функциональная схема вычислительного устройства

В режиме автоматического управления подводным кораблем по глубине в вычислительном устройстве задействованы следующие блоки (рис. 13.11):

- блок формирования скорости изменения глубины;

- блок формирования скорости изменения дифферента;

- линейный ограничитель ЛО;

- блок нелинейности БН3;

- блок нелинейности БН4.

Входные параметры, необходимые для формирования СЭСУ, определены ранее.

Назначение задействованных блоков ВУ:

1.Блок формирования скорости изменения глубины предназначен для формирования электрического сигнала в виде напряжения, пропорционального скорости изменения глубины во времени. Введение этого сигнала необходимо для повышения точности регулирования глубины путем уменьшения регулирующего воздействия при подходе фактической глубины к заданной (в режиме автоматического перехода на новую глубину).

2. Линейный ограничитель функционально состоит из двух блоков: блока ограничения максимального дифферента БН1 и блока ограничения максимальной скорости изменения дифферента БН2. Введение этих ограничений необходимо, во-первых, для исключения возможности падения на грунт или погружения на запредельную глубину; во-вторых, для обеспечения безопасной работы механизмов главной энергетической установки. Оба блока представляют собой электронные усилители, формирующие выходной сигнал только после достижения величины на входе определенного уровня.

3. Блок формирования скорости изменения дифферента предназначен для формирования сигнала, пропорционального скорости изменения дифферента, и подачи его в блок БН2 линейного ограничителя.

4. Блок нелинейности БН3 формирует световую и звуковую сигнализацию в случае самопроизвольного отклонения ПЛ от заданной глубины на определенную величину.

5. Блок нелинейности БН4 – усилитель, работающий в релейном режиме. Предназначен для релейного изменения своего коэффициента передачи в зависимости от величины скорости корабля.

Принцип формирования суммарного электрического сигнала управления

Суммарный электрический сигнал управления горизонтальными рулями представляет собой следующую функциональную зависимость:

(13.48)

где – сигнал, пропорциональный отклонению фактической глубины погружения от заданной и зависящий от скорости ПЛ;

– сигнал, пропорциональный скорости изменения глубины;

– сигнал, пропорциональный дифференту;

– сигнал, пропорциональный скорости изменения дифферента;

– сигнал, пропорциональный углу перекладки горизонтальных рулей.

Формирование СЭСУ горизонтальными рулями осуществляется по принципу «соревнования сигналов». Это означает следующее. Суммарный электрический сигнал формируется на правом, «большом» сумматоре (рис. 13.12), на который поступают все составляющие сигнала согласно выражению (13.48). Составляющая СЭСУ обеспечивает поворот горизонтальных рулей в сторону компенсации рассогласования, т.е. если фактическая глубина погружения меньше заданной, то рули поворачиваются «на погружение». Все остальные составляющие СЭСУ являются демпфирующими; вклад этих сигналов в суммарный обеспечивает поворот рулей в противоположную сторону. Сформированный таким образом СЭСУ поступает в гидравлическую часть системы управления.

Принцип действия системы в режиме автоматического перехода на новую заданную глубину

На первом этапе с помощью перекладки горизонтальных рулей создается определенный дифферент подводной лодки. В конце этого периода рули отводятся кратковременно в противоположную сторону для гашения нарастающей угловой скорости, а затем – в практически нулевое положение. Лодка, таким образом, начинает второй этап изменения глубины – установившийся. На этом этапе все параметры движения неизменны, изменение глубины происходит за счет подъемной силы на корпусе ПЛ. С подходом к заданной глубине погружения начинается третий этап – одержание. Для этого рули, как правило, перекладываются в сторону, обеспечивающую уменьшение дифферента, затем в противоположную для гашения возникающей угловой скорости и, наконец, в положение, обеспечивающее движение корабля на новой глубине.

Маневр изменения глубины погружения в общем случае включает в себя три этапа: этап создания дифферента; установившегося изменения глубины с постоянным дифферентом; этап одержания (рис. 13.12).

Для примера рассмотрим маневр автоматического погружения ПЛ на новую заданную глубину, считая, что при всплытии все процессы идентичны, но противоположны по фазе.

Для автоматического погружения ПЛ на новую заданную глубину оператор пульта управления с помощью задатчика устанавливает требуемое значение глубины. На выходе первого, «малого» сумматора (рис. 13.12), формируется сигнал рассогласования, который через блок нелинейности БН4 поступает на второй, «большой» сумматор. В начальный момент времени все остальные составляющие СЭСУ отсутствуют.

Рули начинают поворачиваться «на погружение», т.е. в сторону уменьшения рассогласования заданной и фактической глубины.

Начинается первая фаза погружения – создание требуемого дифферента. Первая фаза погружения, как было сказано ранее, сопровождается увеличением угловой скорости. При определенном ее значении на «большой» сумматор через нижний блок линейного ограничителя начинает поступать сигнал, который обеспечивает отведение горизонтальных рулей и гашение угловой скорости. Дифферент стабилизируется и подводная лодка начинает погружение под действием подъемной силы на корпусе.

С подходом к требуемой глубине погружения сигнал постепенно уменьшается. Сигнал в этой ситуации имеет наибольшую величину и обеспечивает одержание ПЛ в третьей фазе погружения. Дифферент, угол перекладки рулей, скорость изменения глубины и дифферента уменьшаются, и к моменту выхода корабля на заданную глубину дифферент устанавливается равным балансировочному значению. Управляющий сигнал при этом равен нулю.

В рассматриваемом режиме действие верхнего блока линейного ограничителя осуществляется при превышении дифферента установленной в нем величины. Этот блок, таким образом, является ограничительным. Дополнительно отметим, что блок нелинейности БН4 имеет коэффициент передачи, зависящий от скорости корабля. Так как основная сила, под действием которой ПЛ погружается и всплывает, – это сила на корпусе, то с увеличением скорости ПЛ ее эффективность также увеличивается, причем достаточно интенсивно. В связи с этим с увеличением скорости коэффициент передачи БН4 искусственно уменьшают для обеспечения безопасности плавания в первую очередь путем предотвращения больших вертикальных скоростей.

Принцип действия системы в режиме автоматической стабилизации заданной глубины и дифферента

При движении ПЛ на заданной глубине могут возникать периодические возмущающие воздействия, отклоняющие корабль в ту или иную сторону. Суммарный электрический сигнал управления в этом случае, как правило, невелик и определяется, в основном, составляющей , что вызывает соответствующую перекладку горизонтальных рулей и возврат ПЛ к заданной глубине.

Постоянно действующие возмущения, например, неудифферентованность, подводное течение, приводят к возникновению статической ошибки. Для ее устранения с помощью линейного вращающегося трансформатора, связанного с датчиком дифферента, вводят корректирующий сигнал, равносильный заданию балансировочного дифферента. Этот сигнал компенсирует действие возмущения. Аналогично осуществляется поддержание заданного дифферента во время движения ПЛ. СЭСУ в этом случае формируется в виде зависимости:

. (13.49)

При самопроизвольном отклонении ПЛ от заданной глубины (обычно 5–7 метров) срабатывает блок нелинейности БН3, формирующий световую и звуковую сигнализацию «Уход с глубины».

13.10. Автоматизация управления движением

подводной лодки в аварийных ситуациях

Противоаварийное управление движением ПЛ осуществляется при выявлении следующих противоаварийных задач (ПАЗ):

ПАЗ I:

- провал или всплытие ПЛ за аварийные глубины;

- возникновение аварийных дифферентов, вызванных неисправностью СУД;

- заклинка носовых рулей;

- ошибки оператора.

ПАЗ II – заклинка кормовых горизонтальных рулей.

ПАЗ III – поступление воды внутрь прочного корпуса.

ПАЗ IV – динамическое состояние ПЛ, приводящее к аварии, при которой необходимо спасение личного состава в всплывающей камере.

ПАЗ V – возникновение аварийных кренов.

Выявление аварийного динамического состояния ПЛ, как правило, основывается на прогнозировании аварийных ситуаций, подтверждении аварийного прогноза, оценка тяжести аварии и выборе ТС, обеспечивающих аварийное одержание и маневрирование ПЛ в пределах безопасных глубин.

При создании СУД для современных ПЛ выявление ПАЗ I в отличие от существующих систем, с целью повышения достоверности выявления аварий, основывалось на сочетании разнородных алгоритмических признаков аварии. Так, в частности, был разработан алгоритм ПАЗ I. Приращение глубины получается как результат прогнозирования будущего динамического состояния ПЛ, основанного на экстраполяции решения уравнений противоаварийного движения или решения в ускоренном масштабе времени динамических управляемых моделей движения ПЛ совместно с ТС.

В отличие от существующих алгоритмов допускового контроля аварийного превышения дифферента по фактическому значению в СУД было реализовано алгоритмическое многоуровневое прогнозирование аварийного дифферента и аварийной глубины погружения. Параметры алгоритмов прогнозирования определялись с учетом натурных маневренных испытаний ПЛ. В результате разработки комбинированных алгоритмов ПАЗ I была повышена на 20% точность прогнозирования аварийного состояния ПЛ.

Выявление ПАЗ II основывается на анализе фактической скорости перемещения перьев кормовых горизонтальных рулей и амплитуды управляющего сигнала, подаваемого на вход приводов рулей в зависимости от величины перекладки рулей. В существующих системах выявление заклинки рулей основывалось на расхождении перьев рулей.

Выявление и распознавание аварийного состояния ПЛ при затоплении отсека основывается на анализе физических параметров среды таких как давление, уровень, температура, тепло и электропроводность, спектральные характеристики шума и т.п., а также с использованием кинематических параметров движения ПЛ и косвенных методов выявления аварийной раздифферентовки ПЛ.

Автоматическое выявление ПАЗ III осуществляется только для глубоководных ПЛ с использованием системы индикации поступления воды внутрь прочного корпуса по датчикам брызг, уровня воды, скорости изменения давления в отсеке.

Выявление ПАЗ IV основывается на сочетании признаков аварии и носит рекомендательный характер для принятия решения командиром ПЛ о спасении личного состава.

Выявление ПАЗ V явилось новой противоаварийной задачей. В процессе создания СУД были разработаны 2 способа выявления ПАЗ V – динамический и программный. Динамический основывается на формульном прогнозировании аварийного крена. Программный способ основывается на установлении приближенной аналитической связи угла крена и порождающих крен моментов от циркуляции и кренящих моментов от пе­рекладки «враздрай» перьев рулей.

В целом разработанные алгоритмы прогнозирования и выявления аварийного состояния системы «ПЛ-ТС» позволили повысить эксплуатационную безопасность ПЛ как в режимах «советчика», так и «автоматического управления».

В качестве технических средств для одержания ПЛ при выявлении ПАЗ I используется резервный противоаварийный канал управления кормовыми горизонтальными рулями, а также носовые горизонтальные рули, которые автоматически выдвигаются при подтверждении аварии. Кроме того, в отличие от существующих противоаварийных систем, впервые использована ускоренная перекладка рулей на одержание ПЛ, обеспечивающая в максимальной степени одержание ПЛ по дифференту.

В качестве средств для аварийного одержания ПЛ при заклинке кормовых горизонтальных рулей используется:

- управление исправным (незаклиненным) пером КГР с ускоренной перекладкой;

- выдвижение и управление НГР;

- снижение скорости хода, включая реверс ГТЗА на больших скоростях хода;

- продувание и последующее заполнение групп ЦГБ.

Управление рулями осуществляется с введением программной коррекции по углу заклиненного руля. Управление носовой или кормовой группой ЦГБ осуществляется при заклинке рулей с неразрезной конструкцией баллера ВР и реализуется в режиме «совет».

Исследование процессов одержания ПЛ при заклинке КГР, а также результаты натурных испытаний подтвердили эффективность противоаварийного управления по разработанным алгоритмам СУД.

При наличии сигнала ПАЗ III о поступлении воды в один из отсеков прочного корпуса система управления движением должна обеспечить всплытие ПЛ на глубину, безопасную для прочности металлических переборок. Возможность выхода ПЛ в безопасный слой глубин зависит от начальной скорости хода, состояния ППУ и ПТУ, глубины погружения, размеров пробоины и положения поврежденного центра тяжести ПЛ. Для борьбы с аварией используется:

- управление горизонтальными рулями для создания максимально допустимого дифферента на всплытие по соображениям эксплуатации ГЭУ;

- управление ВР для стабилизации крена, необходимость которой обусловлена снижением поперечной устойчивости ПЛ при изменении плавучести;

- управление скоростью хода до максимально возможной;

- управление плавучестью ПЛ за счет продувания носовой и кормовой групп ЦГБ и продувания и заполнения средней группы ЦГБ, включая применение пороховых газогенераторов;

- управление дифферентовкой ПЛ при выходе на безопасную глубину.

В случае невозможности обеспечения плавучести ПЛ система управления по команде «всплытие» при подходе к поверхности должна уменьшить дифферент, скорость хода и осуществить продувание ЦГБ.

Выбор необходимого алгоритма управления ТС осуществляется в результате распознавания класса аварийного состояния ПЛ на основании оценки тяжести аварии. При создании СУД был учтен опыт эксплуатации и натурных испытаний ПЛ в условиях максимально приближенных к боевым повреждениям корпуса и были разработаны алгоритмы автоматизированного управления ТС при ПАЗ III.

Основные принципы, положенные в основу указанных алгоритмов, базируются на автоматизации быстротечных процессов, связанных с управлением рулями, скоростью хода и автоматизацией процессов принятия решений командиром БЧ-5 по управлению ЦГБ и вспомогательным балластом с выработкой гибких рекомендаций по использованию ТС, включая формирование алгоритмов управления выходом ПЛ в слой или на поверхность.

Впервые были реализованы алгоритмы оценки возмущения, действующих на ПЛ по силе и моменту, с использованием динамических корректируемых моделей движения, обеспечивающие выработку советов для спрямления ПЛ.

Учитывая возможное наложение задач при ПАЗ III, был создан единый информационно-управляющий пульт координированного управления движением в аварийных режимах.

Управление горизонтальными рулями строилось следующим образом. При поступлении сигнала ПАЗ III автоматически выдвигаются носовые (рубочные) рули и перекладываются на всплытие. Управление процессом дифферентовки осуществляется на основе информации по силе и моменту вырабатываемой корректируемой динамической моделью.

Реализация разработанных алгоритмов управления противоаварийным движением позволили поднять в целом безопасность плавания ПЛ и повысить устойчивость ПЛ к боевым повреждениям.

Аварийный крен ПЛ может возникнуть от расхождения перьев разрезных рулей, вызванного или заклинкой одного из перьев или неисправностью системы, связанной, например, с обрывом сигнала обратной связи по положению руля; от кренящего гидродинамического момента, возникающего при циркуляции ПЛ; при аварийном всплытии ПЛ, связанным с продуванием ЦГБ и снижением поперечной устойчивости ПЛ.

Возможно также возникновение крена при побортном ошибочном продувании цистерн одержания при использовании оружия.

Однако, как правило, ракетные стрельбы осуществляются на малых скоростях хода, когда большое влияние оказывает на устойчивость ПЛ по крену момент остойчивости.

В процессе создания СУД для современных ПЛ впервые была поставлена ПАЗ V и разработаны алгоритмы противоаварийного одержания по крену. Компенсация аварийного крена с помощью ВР обеспечивается во всех случаях пространственного и аварийного маневрирования за исключением одного из перьев КГР на максимальных углах. В этом случае кренящий момент от переложенных «враздрай» перьев КГР для одержания дифферента, как правило, больше кренящего момента от ВР и возникает наложение ПАЗ II на ПАЗ V.

Был разработан алгоритм координированного управления перьями КГР, НГР по крену и дифференту. Основным критерием при решении совмещенной противоаварийной задачи явилось не превышение прогнозируемых значений дифферента и крена сверх аварийных, а управление рулями по приоритетной координате и обеспечение в конце сдерживания возможности маневрирования ПЛ с переложенными «враздрай» перьями всех рулей. Координированное управление рулями при наложении аварийных задач позволило на 20–30% уменьшить значение аварийных углов крена и дифферента и в целом повысить вероятность локализации аварийных ситуаций.